Статья ВАК: Решения для индивидуального учёта энергии в многоквартирных зданиях

Введение

В современных зданиях оплата электрической энергии, горячей и холодной воды производится по показаниям соответствующих счётчиков и обычно не создаёт проблем. Сколько потребили — столько и оплатили. Однако распределение оплаты энергии за отопление отдельной квартиры в многоквартирном здании ставит много вопросов [1–6].

В проектах зданий до середины 1990-х годов не предусматривалась установка счётчиков тепловой энергии. Оплата за энергию выполнялась по обобщённому нормативу, в котором устанавливался расход энергии на отопление в расчёте на 1 м² отапливаемой площади квартир. На жителей списывали и дополнительные затраты энергии при её транспортировке в теплосетях. Такой подход не стимулировал экономию энергии ни при её доставке, ни в отапливаемых зданиях. Отсутствие счётчиков тепловой энергии в зданиях делало бессмысленным выполнение энергосберегающих мероприятий в силу невозможности зафиксировать энергосберегающий эффект.

Установку счётчиков тепловой энергии в зданиях, расположенных в Республике Беларусь, начали в середине 1990-х годов. Практически одновременно с этим мероприятием начались работы по установке программируемых регуляторов тепловой энергии в зданиях, так как регулирование подачи тепла для отопления зданий — один из наиболее эффективных и быстро окупаемых способов экономии энергии [7–9]. Оплата за тепловую энергию на отопление квартир начисляется путём распределения показаний счётчика пропорционально площади квартир.

Следующим шагом стало применение индивидуального учёта тепловой энергии на отопление каждой квартиры [10–12]. Предполагается, что установка счётчиков тепловой энергии в квартирах даёт возможность справедливой оплаты за тепловую энергию и создаёт стимулы для её экономии. Техническую возможность для экономии энергии в квартирах дают автоматические регуляторы теплоснабжения, устанавливаемые в квартирах в соответствии с требованиями [12].

Если задуматься о том, какое распределение оплаты тепловой энергии по квартирам в многоквартирном здании, можно считать «справедливым», можно отметить несколько моментов:

1. Стоимость оплаты не должна зависеть от расположения квартиры в здании.

2. Стоимость оплаты за энергию на отопление должна быть пропорциональна отапливаемой площади.

3. Стоимость оплаты должна увеличиваться при регулировании температуры воздуха в квартире в сторону повышения от среднего значения и уменьшаться при её снижении.

При эксплуатации зданий возникают процессы теплообмена, затрудняющие выполнение сформулированных выше принципов при начислении. Во-первых, тепловые потери квартир, а следовательно, и потребление тепловой энергии на отопление, а также оплата по индивидуальным счётчикам тепловой энергии зависит от расположения квартиры в здании [13]. Во-вторых, в многоквартирном жилом доме важную роль в учёте тепла на отопление квартир играет теплообмен между соседними квартирами с разной температурой воздуха. С этой проблемой столкнулись при проектировании зданий с системами регулирования теплоснабжения и индивидуальным учётом [13].

Аналогичные проблемы возникают при учёте энергии в квартирах с индивидуальным энергоснабжением, например, с использованием газовых котлов или электрических отопительных элементов.

Распределение тепловых потерь в многоквартирном здании

Тепловые потери через ограждающие конструкции многоэтажных зданий носят неоднородный характер [13]. Это обстоятельство приводит как к различным условиям теплового комфорта, так и к различной оплате стоимости отопления в квартирах, расположенных в различных частях здания при равной площади. Удельное потребление тепловой энергии на отопление здания можно записать в виде [14]:

t_in и t_out — средние температуры воздуха внутри и снаружи здания, К; f₁ — удельные тепловые потери здания [Вт/(м²·К)], равные величине [6]:

где q_h — удельная среднегодовая мощность источника энергии на отопление и вентиляцию для условий расчёта, Вт/м²; q_sr — средний поток солнечной радиации, поступающей в здание, рассчитываемый в соответствии с требованиями [15, 16], Вт/м²; K_ost — коэффициент остеклённости стены; R_ogr — приведённое сопротивление теплопередаче стен, м²·К/Вт; R_ost — приведённое сопротивление теплопередаче окон, м²·К/Вт; S_st — площадь наружных стен, м²; R_per — приведённое сопротивление теплопередаче перекрытия верхнего этажа, м²·К/Вт; R_pokr — приведённое сопротивление теплопередаче покрытия над подвалом, м²·К/Вт; k — количество этажей; h₁ — высота этажа, м; k_kr — кратность воздухообмена в единицу времени относительно объёма здания, ч^–1; n — количество суток в среднем отопительном сезоне; f₂ — удельная мощность внутренних тепловыделений в здании, принимаемая для расчётов, Вт/м²; и ξ — коэффициент, учитывающий тип системы регулирования, и коэффициент усвоения солнечной энергии в здании, соответственно.

По этой же формуле (1) можно определить потребление тепловой энергии на отопление отдельной квартиры при равных значениях температуры воздуха в квартирах здания. Для анализа влияния расположения квартир в здании на удельное потребление тепловой энергии на отопление был выполнен расчёт в соответствии с формулой (1) для квартир энергоэффективного 120-квартирного жилого здания, соответствующего классу А+ [14], построенного здания в городе Гродно [17] в предположении одинаковой температуры воздуха, равной 18 °C, и значений мощности бытовых тепловыделений, принятых в соответствии с [12] равными 9 Вт/м² (жилые помещения и кухни). Исходные данные, использованные при выполнении расчётов, приведены в табл. 1. Климатические условия и поступление солнечной энергии в расчётах принимались в соответствии с [15].

На рис. 1 приведена гистограмма распределения расчётного потребления тепловой энергии на отопление квартир. Удельное потребление квартир, расположенных в различных частях здания, отличается в четыре и более раза. Наибольшее потребление — в угловых квартирах верхнего этажа здания. Из данных, приведённых на рис. 1, можно сделать вывод, что стоимость оплаты тепловой энергии на отопление квартир одной и той же площади, но расположенных в различных частях здания, при одинаковой температуре воздуха будет отличаться в разы.

Для обеспечения равного уровня теплопотерь, с целью выравнивания уровня оплаты по квартирам здания в [13, 18] предлагается перейти к утеплению наружных ограждающих конструкций, зависящему от места расположения квартиры. Преимущества неоднородной системы утепления выявляются также при исследовании вопроса о выборе условий начала отопительного сезона в зданиях [13].

Для зданий с обычной системой утепления, однородной по фасадам, целесообразно разработать методику расчёта затрат на отопление, учитывающую все особенности теплообмена между квартирами в многоэтажном здании. Одна из них предложена в [18–19].

В работах [19–21] выполнено математическое моделирование системы учёта тепловой энергии на отопление в многоквартирном здании с индивидуальными регуляторами температуры при компенсации влияния теплообмена через межквартирные перекрытия и перегородки. При моделировании в квартирах счётчиком случайных чисел задавались бытовые тепловыделения. Было учтено не только расположение квартир в здании, но и влияние теплообменных процессов на показания счётчика тепловой энергии.

Площади перегородок между квартирами и ограждение лестничной площадки рассчитывались по геометрическим размерам, считая высоту этажа 2,8 м, а толщину межэтажных перекрытий 0,22 м. Исходные данные для расчёта приведены в табл. 2. На рис. 2 представлены диаграммы распределения начальных и полученных в результате моделирования значений температуры воздуха и мощности источников теплоснабжения в каждой квартире здания при диапазоне изменения заданных значений температуры в квартирах от 16 до 21 °C.

На рис. 2а приведены исходное и достигнутое в процессе регулирования распределение значений температуры в квартирах. Отличие значений температуры на диаграмме №2 (температура после регулирования) от значений на диаграмме №1 (заданное значение температуры) не превышает 0,5 °C, что характеризует высокое качество регулирования температуры. На рис. 2б представлены значения мощности системы отопления в квартирах, необходимые для компенсации тепловых потерь с учётом внутренних тепловыделений (диаграмма №1) и значения, учитывающие теплообмен между квартирами через межквартирные стены и перегородки (диаграмма №2). Можно отметить изменение значений мощности источников теплоты по сравнению с исходным вариантом. Например, в квартире 10 источник отопления в результате работы регулятора выключен (рис. 2б).

В соседних квартирах 9 и 18 мощность тепловых источников, установленная в процессе регулирования, вдвое превышает расчётную начальную, что обусловлено теплообменом между квартирами с различной температурой. Аналогичные тенденции можно проследить для квартир 12 и 26. 

Приведённые на рис. 2а и 2б результаты однозначно свидетельствуют, что расположение квартиры в многоквартирном здании, а также теплообмен между квартирами оказывают значительное влияние на показания индивидуальных счётчиков тепловой энергии.

Даже в этом случае расчёта значений мощности отопительных элементов в квартире без учёта теплообмена между квартирами на диаграмме №1 рис. 2б диапазон изменения этой величины достаточно велик. Учёт теплообмена между квартирами, на диаграмме №2 рис. 2б, ещё больше увеличивает диапазон показаний индивидуальных счётчиков энергии. Они существенно отличаются от расчётных значений, учитывающих только теплообмен с наружной средой. Например, в квартире под номером 10 установятся нулевые показания счётчика энергии, а в квартире под номером 13 они вдвое превышают расчётные значения.

Пересчёт показаний счётчика тепловой энергии

В настоящее время имеются различные методики распределения оплаты за энергию по индивидуальным приборам учёта. В [23, 24] предлагается часть энергии по показаниям общего счётчика (до 60 %) распределять пропорционально отапливаемой площади, а оставшуюся часть — пропорционально показаниям индивидуальных счётчиков. Такой подход делает индивидуальный учёт энергии практически бессмысленным с точки зрения «справедливого» распределения энергии между жильцами для её последующей оплаты с учётом сформулированных принципов.

В работах [19–21, 25] предлагается показания счётчиков тепловой энергии пересчитать с учётом теплообмена между квартирами по следующей формуле:

где Q_0i — показания счётчика теплоты в квартире.

Для учёта расположения квартиры в здании и теплообмена между квартирами можно предложить следующую методику расчёта затрат теплоты на отопление. Предлагается принять тепловые потери квартир с повышенным их уровнем (вследствие неблагоприятного расположения в здании) равными значениям квартиры в середине фасада, разность фактических и расчётных значений вычесть из показаний квартирного счётчика и добавить к общим теплопотерям здания, которые разделятся между квартирами пропорционально их площади.

Эта проблема актуальна для жителей верхнего и нижнего этажей, а также жителей торцевых квартир здания. В этом случае учёт тепловой энергии должен вестись по следующей формуле [25]:

где Q_расч.i — теплопотери квартиры, предъявляемые для расчёта за тепловую энергию в i-й квартире, кВт·ч; S_im и S_0im — площадь m-й наружной ограждающей конструкции в i-й квартире и площадь аналогичной m-й в квартиры середины фасада, м²; t_im — температура за m-м наружным ограждением i-й квартиры, °C; R_im — сопротивление теплопередаче m-го наружного ограждения i-й квартиры, м²·°C/Вт; Q_общ — тепловые потери общих мест пользования, кВт·ч; S_i и S_общ — площадь i-й квартиры и отапливаемая площадь здания, м².

Расчёт за потреблённую тепловую энергию в соответствии с выражением (5) позволяет устранить ошибки расчёта, вызванные теплообменными процессами между квартирами, а также устранить недостатки расчёта, обусловленные зависимостью тепловых потерь от расположения квартиры в здании.

Предложенный метод пересчёта достаточно сложен и требует значительной подготовительной работы, однако позволяет исключить все влияющие на показания теплового счётчика факторы.

Система учёта на основании измерения температуры в квартирах

Предлагается более простой подход к решению поставленной задачи. Для устранения всех проблемных моментов, рассмотренных ранее, предлагается выполнить распределение показаний группового счётчика энергии в здании пропорционально разности температуры воздуха в квартире и наружного воздуха, а также площади квартиры по формуле:

где Q_i — расчётное значение энергии на отопление квартиры, предъявляемое к оплате, кВт·ч; Q_sum — общая потреблённая на отопление энергия в здании, кВт·ч; S_sum и S_i — суммарная площадь квартир и площадь отдельной квартиры, м².

Реализация предлагаемого метода распределения тепловой энергии по квартирам не требует установки счётчиков энергии в квартирах. Достаточно наличие общего счётчика энергии в здании и датчиков температуры воздуха в каждой квартире и наружного воздуха с возможностью передачи данных на общий диспетчерский пункт здания. Пересчёт общего количества потреблённой на отопление энергии по квартирам выполняется по формуле (6).

В этом случае на результат расчётов за энергию не будут влиять ни теплообмен между квартирами, ни расположение квартиры в здании. При этом соотношение затрат энергии по расчёту между квартирами будет пропорционально разности температур воздуха в квартирах и наружного воздуха, что оправдано физикой теплообмена здания с окружающей средой. Дополнительный плюс такого распределения — автоматическое распределение затрат энергии на отопление мест общего пользования пропорционально площади квартиры.

Экспериментальное исследование алгоритмов расчёта потреблённой в квартирах энергии

Экспериментальная проверка алгоритмов распределения тепловой энергии по квартирам для расчёта за энергию для отопления была выполнена для энергоэффективного экспериментального здания в Гродно [17]. В каждой квартире здания установлены индивидуальные счётчики тепловой энергии [26]. По сформулированному заданию каждый счётчик, в отличие от стандартной комплектации, изготавливался с подключёнными к ним дополнительными датчиками температуры воздуха в квартирах.

Длина соединительного кабеля ограничила возможность размещения датчиков температуры зоной вблизи счётчиков в прихожей квартир, хотя более целесообразным представляется их размещение у входов в вытяжные вентиляционные каналы, где воздух интегрируется из всех жилых комнат и температура воздуха близка к средней по квартире.

Для анализа был использован архив показаний датчиков температуры воздуха в квартирах энергоэффективного здания в Гродно в течение месяца. Следует отметить, что температура воздуха в каждой квартире сохраняла своё значение практически постоянным в течение месяца наблюдений, в то время как её значение в различных квартирах изменялось в диапазоне от 17 до 24 °C.

Значение средней температуры воздуха в здании изменялось в течение периода измерений в диапазоне 21–22,2 °C, несмотря на значительное изменение температуры наружного воздуха (от –5 до +5 °C) во время измерений. Это свидетельствует:

• об устойчивой работе регулятора на тепловом пункте здания;
• о консервативном характере изменения температуры жителями квартир;
• об устойчивости температурных характеристик многоквартирного жилого здания в процессе его эксплуатации в отопительном периоде.

На рис. 3 представлена диаграмма статистического распределения значений энергии по показаниям счётчиков в квартирах. Отношение максимального к минимальному значению находится около 20. Приведённая диаграмма демонстрирует значительный разброс показаний счётчиков энергии в квартирах в диапазоне от 0 до 20 кВт·ч/м².

Очевидно, что колебания температуры воздуха в квартирах, представленные на рис. 4, имеют значительно меньший разброс — от 18 до 25 °C. Значения разности температур изменяются от 82 до 118 % среднего значения. На рис. 3 и 4 не просматривается связь между температурой воздуха в квартире и показаниями счётчика энергии.

На рис. 5 представлено пересчитанные по формуле (4), с учётом теплообмена между квартирами, значения потреблённой в квартирах энергии. Приведённые после пересчёта данные также имеют значительный разброс. Если сравнить распределение значений энергии на рис. 5, полученное после пересчёта, с представленным на рис. 3, можно отметить расширение диапазона значений учёта энергии. В то же время корректность пересчёта может существенно зависеть от точности измерения средней температуры в квартирах. Неоптимальное расположение датчиков температуры, отмеченное ранее, могло внести свои коррективы в итоговое распределение значений энергии.

При сформулированных ранее требованиях к «справедливому» распределению расходов за энергию, диапазон значений потреблённой в квартирах энергии должен быть пропорционален разности температур в квартирах и температуры наружного воздуха.

На рис. 6 представлены распределения значений энергии на отопление квартир, полученные из исходного путём расчёта с учётом значений температуры в квартирах по формуле (6). Значение суммарной энергии было получено показаниям общего счётчика в здании.

Прослеживается хорошая корреляция значений температуры воздуха на рис. 4 и значений рассчитанной пропорционально разности температур в квартире и наружного воздуха энергии на отопление квартир на рис. 6. Разброс значений рассчитанной энергии составляет ± 15 %, то есть незначительно отличается от диапазона изменения разности температур, что и должно соответствовать реальности, когда изменения обусловлены изменением уровня тепловых потерь из зданий.

Таким образом, анализ алгоритмов пересчёта значений энергии, потреблённой на отопление квартиры, показывает преимущество распределения показаний общего счётчика энергии в здании пропорционально разности среднего значения температуры в квартире и температуры наружного воздуха с точки зрения его реализации перед распределением с учётом перетоков тепловой энергии между квартирами.

Однако его применение не учитывает возможность снижения нагрузки на систему отопления конкретной квартиры за счёт повышенных тепловыделений в ней. Дополнительные тепловыделения будут автоматически учтены регулятором теплоснабжения в здании и экономия тепловой энергии «размажется» по всем квартирам здания.

Для более точного распределения затрат на отопление необходимо организовать совместную обработку всех видов энергии в квартирах здания.

Выводы

Использование счётчиков тепловой энергии в квартирах не решает проблему «справедливого» распределения оплаты за энергию, так как потребление энергии в квартирах, регистрируемое показаниями счётчиков, зависит от некоторых не зависящих от жильца факторов: расположения квартиры в здании и теплообмена между квартирами вследствие разности температур воздуха в квартирах.

Для устранения поставленных проблем в статье сформулированы условия «справедливого» распределения расходов за энергию и предложены следующие два алгоритма распределения потреблённой в зданиях тепловой энергии на отопление по квартирам:

1. Пересчёт тепловой энергии по показаниям индивидуальных счётчиков с учётом теплообмена непосредственно между квартирами.

2. Расчёт тепловой энергии на отопление квартиры по показаниям общего счётчика делением общего потребления энергии в здании пропорционально площади квартир и разности значений температуры воздуха в квартире и наружного.

Следует отметить, что экспериментальное исследование предложенных алгоритмов при использовании архива показаний квартирных счётчиков тепловой энергии, полученных в многоэтажном энергоэффективном здании в городе Гродно, показало, что предпочтительным представляется второй из рассмотренных методов. Он проще в реализации и приводит к распределению удельного потребления теплоты на отопление квартир пропорциональному разбросу значений разности температур. Однако его применение не учитывает возможность снижения нагрузки на систему отопления конкретной квартиры за счёт повышенных тепловыделений. Дополнительные тепловыделения будут автоматически учтены регулятором теплоснабжения в здании, и экономия тепловой энергии «размажется» по всем квартирам здания.

Материалы статьи могут быть использованы при разработке систем индивидуального учёта энергии на отопление в многоквартирных зданиях.